永磁直線同步電機(jī)電流檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Design of the current detection system of the permanent magnet
linear synchronous motors
CHEN YOUPING, ZHANG YING AI Wu, LIANG CHAOYU

Abstract: The linear motor system is widely used because of the simple structure. This paper presents a feasible scheme of the current detection system based on the magnetic balanced Hall current sensor. The system basic principle, the current signal processing and over-current protector are analyzed respectively. The validity of the current detection system is confirmed by the experimental results.

Keywords: the permanent magnet linear synchronous motor （PMLSM）; Hall current sensor; over-current protector

1. 前言

　　高速加工、微細(xì)加工是機(jī)械制造及科學(xué)研究的重要發(fā)展方向，這要求進(jìn)給系統(tǒng)具有較大的驅(qū)動(dòng)力、較高的頻響以及較高的運(yùn)動(dòng)精度和位移剛度。永磁直線同步電機(jī)（PMLSM）具有推力大、損耗低、電氣時(shí)間常數(shù)小、響應(yīng)速度快、功率因數(shù)高、控制參數(shù)可測、以及控制性能好等特點(diǎn)，與其他高速精密進(jìn)給系統(tǒng)相比，PMLSM進(jìn)給系統(tǒng)具有較大的優(yōu)越性。因此，PMLSM在提升系統(tǒng)、電子制造業(yè)及高速精密數(shù)控系統(tǒng)中有開闊的應(yīng)用前景，受到眾多學(xué)者的關(guān)注和研究[1]。

　　本文中的永磁同步直線電機(jī)控制系統(tǒng)采用三環(huán)控制策略即對(duì)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)分別進(jìn)行控制。直線電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)如圖1所示。其中，位置環(huán)和速度環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為伺服系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)。在伺服控制系統(tǒng)的三個(gè)控制環(huán)中電流環(huán)位于最內(nèi)環(huán)，也是最重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樵谥本€電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，高性能的推力控制是通過電流控制器得到的，電流環(huán)性能的好壞將直接影響外環(huán)及整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此研究永磁同步直線電機(jī)的電流檢測系統(tǒng)具有重要意義。

圖1 永磁直線同步電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

2. 基于磁場平衡式霍爾電流傳感器的電流檢測技術(shù)

　　永磁直線電機(jī)的電流檢測是通過電流傳感器模塊完成的，由于交流直線電動(dòng)機(jī)在額定工作狀況下，工作電流較大，約為5A左右，因此在對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行檢測時(shí)，對(duì)電流傳感器要求有兩點(diǎn)：一是產(chǎn)生正比于被測電流的信號(hào)，要求電流傳感器具有較高的精度、較快的響應(yīng)時(shí)間和較好的工作穩(wěn)定性，以達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的;二是為了防止主電路與控制電路的相互干擾，必須使主電路與控制電路相隔離。

　　因此，本系統(tǒng)的電流檢測采用CSN系列磁場平衡式電流傳感器作為電流檢測元件[2]-[4]，其特點(diǎn)是應(yīng)用霍爾效應(yīng)閉環(huán)補(bǔ)償。具有出色的精度，良好的線性度，低溫飄，優(yōu)秀的反應(yīng)時(shí)間，頻帶范圍寬，頻率范圍可達(dá) ，抗干擾能力強(qiáng)。利用電-磁-電轉(zhuǎn)換原理來構(gòu)成，將互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路集成在一起，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，極易適合電機(jī)繞組電流的檢測，工作原理如圖2所示。

圖2 霍爾電流傳感器工作原理

　　圖2中有一個(gè)用軟磁材料制成的帶有縫隙的聚磁環(huán)，縫隙中放了一片霍爾元件。霍爾元件中通有一個(gè)固定的電流I_c，聚磁環(huán)中穿過一根導(dǎo)線，其中流過待測電流。在聚磁環(huán)及其縫隙中產(chǎn)生磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。于是霍爾元件產(chǎn)生霍爾電位差V_H。

　　（1）

　　式中 —K霍爾系數(shù)。

　　V_H經(jīng)放大器A放大，獲得一個(gè)補(bǔ)償電流I_s。I_s流過繞在聚磁環(huán)上的多匝線圈，V_H產(chǎn)生的磁勢(shì)和待測電流產(chǎn)生的磁勢(shì)方向相反，因此產(chǎn)生補(bǔ)償作用，使磁場減小，隨著減小。由于鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度極低, 不會(huì)使磁芯飽和, 也不會(huì)產(chǎn)生大的磁滯損耗和渦流損耗。由于放大器的放大倍數(shù)很大,因此：

3. 電流信號(hào)處理

　　由于霍爾傳感器的輸出為電流信號(hào)Is，為了將電流信號(hào)送模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將霍爾傳感器的輸出通過已知阻值的測量電阻Rm，其兩端電壓降Vm與電流信號(hào)Is成正比，電流信號(hào)就線性轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Vm，即可經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)。

圖3 電流檢測信號(hào)的處理電路

　　在本系統(tǒng)中，ADC模塊電流模擬輸入信號(hào)處理電路如圖3所示。其中,I_u為霍爾傳感器對(duì)直線電機(jī)三相交流電檢測后輸出的電流信號(hào)之一。LF353N為一放大器集成芯片，在X201A處作為電壓跟隨器使用，其作用是改善采樣電流輸出信號(hào);而在X201B處作為反相器使用。通過調(diào)節(jié)電位器R203的有效阻值，可以保證電流信號(hào)I_u在可預(yù)測的幅值范圍內(nèi)變化時(shí)，處理電路輸出的信號(hào)CH1A在±5V的電壓范圍內(nèi)，以滿足模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬電壓信號(hào)的要求。

　　對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)的采集是電流檢測的重要組成部分。DSP芯片TMS320LF2407A帶有內(nèi)置采樣和保持電路的10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，但只能接收0V-3.3V的單極性信號(hào)，同時(shí)由于系統(tǒng)對(duì)電流檢測精度要求較高，所以采用Maxim公司的14位MAX125型轉(zhuǎn)換器作為信號(hào)采集單元的核心。MAX125的八路輸入通道均有±17V的輸入故障保護(hù)電路，采樣電壓的范圍是-5V～+5V,非常適合基于DSP的直線電機(jī)電流數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)應(yīng)用。

　　在本系統(tǒng)中，霍爾傳感器檢測到的兩相電流信號(hào)I_u、I_v通過處理電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)CH1A、CH2A后，再送MAX125芯片進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。由于直線電機(jī)繞組采用星形連接，根據(jù)電機(jī)學(xué)原理：

　　（3）

　　在檢測出I_u、I_v后，可通過計(jì)算求出I_w。因此在硬件設(shè)計(jì)時(shí)只需對(duì)三相交流電中的任意兩相進(jìn)行檢測、數(shù)/模轉(zhuǎn)換，以降低硬件成本。

4. 電流的過流與保護(hù)

　　直線電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流非常大或因控制回路、驅(qū)動(dòng)電路等誤動(dòng)作，造成輸出電路短路等故障，導(dǎo)致過大的電流流過電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的絕緣三雙極型功率管（IGBT），都會(huì)使流過IGBT的電流超出其額定電流而將其燒毀。因此需要有快速檢測出過大電流的電路，在IGBT承受過大電流時(shí)，采取合理的過流保護(hù)措施，及時(shí)將其關(guān)斷，使其免遭損壞。

　　利用電流霍爾傳感器檢測母線電流，當(dāng)產(chǎn)生過流信號(hào)時(shí)，將信號(hào)傳給DSP控制系統(tǒng)，引起（功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷輸入）中斷，關(guān)斷控制信號(hào)波形發(fā)生。

　　過流過壓故障檢測電路如圖4所示。圖中電容C起濾波的作用，電位器V_R給出參考電壓，調(diào)節(jié)V_R可以改變使保護(hù)電路動(dòng)作的電源電壓值。I_u1和I_w1經(jīng)比較器比較后，其輸出信號(hào)經(jīng)光耦后送到邏輯芯片 ,與其他過壓（三相交流電壓）檢測信號(hào)邏輯之后產(chǎn)生信號(hào)SPDPING，送到DSP的，去封鎖DSP的PWM口。所有PWM輸出管腳全部為高阻狀態(tài)，同時(shí)向DSP內(nèi)核發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求，通知CPU有異常情況發(fā)生。

圖4 過流保護(hù)檢測電路

5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　作為控制對(duì)象的三相交流永磁同步直線電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

　　表1永磁同步直線電機(jī)的參數(shù)

　　在整個(gè)永磁同步直線電機(jī)控制系統(tǒng)中，電流環(huán)的采樣周期為0.1ms，速度環(huán)的采樣周期為0.5ms，位置環(huán)的采樣周期為1ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用了本文的電流檢測系統(tǒng)后，永磁同步直線電機(jī)系統(tǒng)的控制性能的超調(diào)量小，調(diào)節(jié)速度快，在存在干擾的情況下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)推力電流的精確控制，如圖5所示。

圖5 永磁同步直線電機(jī)啟動(dòng)過程中的電流

6. 結(jié)論

　　在永磁同步直線電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，高性能的推力控制是通過電流控制器得到的，電流環(huán)性能的好壞將直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能，因此本文提出了一種基于磁場平衡式的霍爾電流傳感器的電流檢測、處理以及過流保護(hù)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，采用該電流檢測系統(tǒng)的永磁同步直線電機(jī)能夠?qū)ν屏﹄娏鬟M(jìn)行精確的控制，從而獲得較高的控制精度。

　　創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種基于磁場平衡式的霍爾電流傳感器的電流檢測、處理以及過流保護(hù)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上永磁同步直線電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)推力電流進(jìn)行精確的控制。